Samochody hybrydowe

Silnik hybrydowy na widelcu

20 listopada 2023

Samochody z napędem hybrydowym cieszą się coraz większą popularnością wśród kierowców w Polsce i innych krajach. Rozwiązanie to niesie wiele korzyści, do których należą m.in. niższe zużycie paliwa i mniejsza emisja gazów cieplarnianych. Tzw. „miękkie” hybrydy stanowią wsparcie dla jednostki benzynowej, natomiast w hybrydach typu plug-in istnieje możliwość ładowania z sieci elektrycznej, co umożliwia bezemisyjne pokonywanie nawet kilkudziesięciu kilometrów na jednym naładowaniu. Przedstawiamy historię i budowę układów hybrydowych, a także wskazujemy, od czego zależy czas ładowania akumulatorów trakcyjnych.

Historia silników hybrydowych

Czy wiesz, że historia silników hybrydowych jest niewiele krótsza niż jednostek spalinowych? Pierwszym samochodem wyposażonym w silnik hybrydowy był Lohner-Porsche Mixte, który swoją premierę miał już w 1900 r. podczas targów Expo w Paryżu! Wydarzenie to miało miejsce niespełna 14 lat po opatentowaniu pierwszego samochodu spalinowego przez Carla Benza.

Wróćmy do początków silników hybrydowych. Dzieło 25-letniego wtedy Ferdinanda Porsche sprzedawano pod nazwą Semper Vivus, co po łacinie oznacza: zawsze żywy. Układ napędowy pierwszej generacji modelu składał się z dwóch silników elektrycznych o mocy 2,5 KM, które umieszczono w piastach przednich kół. Za dostarczanie energii do napędzania jednostek elektrycznych odpowiadały dwa jednocylindrowe silniki spalinowe o mocy 3,5 KM każdy. Pojazd zdecydowanie nie należał do lekkich, ponieważ ważył ok. 1700 kg, na co składały się m.in. zespół akumulatorów o łącznej wadze 420 kg oraz silniki elektryczne o masie 270 kg każdy. Waga kluczowych elementów napędu hybrydowego sięgała więc niemal 1000 kg. Pomimo znacznej masy i niewielkiej mocy pojazd rozpędzał się do 35 km/h, a w ciągu 15 lat produkcji sprzedano ok. 300 egzemplarzy tego modelu.

Współczesne silniki hybrydowe

Nowoczesne układy hybrydowe osiągają wysoką moc i poza niskim zużyciem paliwa zapewniają także bardzo dobre osiągi, co jest szczególnie zauważalne w danych technicznych hybryd plug-in. Technologia ta stosowana w wielu modelach Volkswagena może składać się z turbodoładowanego silnika benzynowego 1,4 TSI, połączonego z elektryczną jednostką napędową. W zależności od wybranego modelu i wariantu, zespół napędowy osiąga moc systemową od 204 do 245 KM. SUV Tiguan zdecydowanie należy do dynamicznych pojazdów, osiągając 100 km/h w 7,5 s.

Najlepsze osiągi zapewnia flagowy SUV Touareg R, którego układ hybrydowy składający się z jednostki benzynowej V6 o pojemności 3 litrów i silnika elektrycznego, osiąga moc systemową 462 KM. Dzięki temu ten luksusowy model Volkswagena przyspiesza od 0 do 100 km/h w 5,1 s.

Najoszczędniejszy seryjny samochód na świecie to hybryda plug-in

W 2011 roku Volkswagen zaprezentował model XL1 o futurystycznej sylwetce nadwozia. Pod aerodynamiczną karoserią znajdował się układ hybrydowy plug-in, który składał się z wysokoprężnego silnika TDI o pojemności 0,8 litra połączonego z jednostką elektryczną. Pojazd wyposażono w akumulatory trakcyjne o pojemności 5,7 kWh. Masa całkowita pojazdu wynosiła z kolei 800 kg. To wszystko sprawiło, że model XL1 zużywał 0,9 l oleju napędowego na 100 km. Wynik ten zapewnił pojazdowi tytuł najoszczędniejszego seryjnego samochodu świata, który wyprodukowano w 250 egzemplarzach, z czego do sprzedaży trafiło ok. 200.

Budowa silników hybrydowych

W samochodach Volkswagena występują dwa rodzaje układów hybrydowych. Pierwszym z nich jest mHEV (mild Hybrid Electric Vehicle), czyli tzw. miękka hybryda, która składa się z mniejszego silnika elektrycznego i akumulatorów pozbawionych możliwości ładowania z gniazdka lub wallboxa. Z sieci elektrycznej można z kolei ładować hybrydy plug-in, których oficjalna nazwa to PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Ponadto pojazdy tego typu wyposażone są w akumulatory trakcyjne o znacznej pojemności, co pozwala pokonać nawet kilkadziesiąt kilometrów na samej energii elektrycznej.

mHEV – miękka hybryda

Podstawową wersją napędu hybrydowego w samochodach Volkswagena jest mHEV Technologia 48V, nazywana popularnie miękką hybrydą, składa się z trzech najważniejszych elementów:

-           silnik elektryczny o napięciu 48V,
-           przetwornik prądu DC/AC,
-           akumulator litowo-jonowy o napięciu 48V.

Silnik elektryczny połączony jest paskiem z kołem umieszczonym na wale korbowym jednostki spalinowej. Dzięki temu niewielka jednostka napędowa może wspierać silnik spalinowy np. podczas ruszania z miejsca lub wyprzedzania. Ponadto silnik elektryczny wykonany w technologii 48V pełni także funkcję rozrusznika i alternatora. Zastąpienie klasycznej prądnicy możliwe jest dzięki wykorzystaniu przetwornika prądu DC/AC, który pozwala na zasilanie samochodowej instalacji elektrycznej o napięciu 12V. Natomiast integracja rozrusznika z jednostką elektryczną wpływa na niemal niewyczuwalne uruchamianie silnika benzynowego np. podczas ruszania ze świateł.

Ładowanie podczas rekuperacji

Volkswageny z tzw. miękką hybrydą są wyposażone w niewielki akumulator, umieszczony zazwyczaj pod fotelem pasażera. Jego ładowanie następuje dzięki rekuperacji podczas toczenia się lub hamowania pojazdu. Generator odzyskuje wtedy energię kinetyczną i przekształca ją w energię elektryczną, która zasila akumulator o napięciu 48V. Wpływa to na niższe zużycie paliwa, które może sięgać nawet 0,4 l/100 km w porównaniu do wersji spalinowych o podobnych parametrach.

Warto też zauważyć, że miękkie hybrydy w przeciwieństwie do wersji plug-in nie mogą poruszać się jedynie z wykorzystaniem energii elektrycznej. Do przeniesienia napędu w modelach mHEV służy 7-biegowa przekładnia automatyczna DSG.

PHEV – hybryda plug-in

Technologia plug-in hybrid stosowana jest w wielu popularnych modelach Volkswagena, takich jak Tiguan, Passat, Arteon czy Touareg. Hybrydy PHEV składają się z turbodoładowanych silników benzynowych połączonych z jednostkami elektrycznymi o zróżnicowanej mocy. Touareg korzysta z widlastego sześciocylindrowego silnika spalinowego o pojemności skokowej trzech litrów. W pozostałych modelach wykorzystano czterocylindrową jednostkę o pojemności 1,4 litra. Elementy układu hybrydowego współpracują ze sobą w celu płynnego rozwijania mocy i zapewnienia satysfakcjonujących osiągów. Hybrydowe modele Tiguan i Passat już niebawem zostaną zaprezentowane w nowych odsłonach, które będą korzystać z najnowocześniejszych rozwiązań napędowych.

Nad wydajną pracą silnika hybrydowego czuwa sterownik zespołu napędowego, który dopasowuje stopień zaangażowania każdej z jednostek napędowych w zależności od sytuacji drogowej. Silnik elektryczny w zależności od modelu samochodu może stanowić jedyne źródło napędu nawet do prędkości 140 km/h. Gdy zespół akumulatorów jest naładowany, pojazdy ruszają z miejsca, korzystając tylko z napędu elektrycznego. Z kolei w przypadku rozładowania akumulatora trakcyjnego Volkswagena z napędem PHEV, za napędzanie samochodu odpowiada jednostka benzynowa. Dzięki temu hybrydowe modele zapewniają duży zasięg, a od decyzji kierowcy zależy wybór zasilania energią spalinową, elektryczną lub wydajne wykorzystanie dwóch rodzajów napędu.

Skrzynie biegów w Volkswagenach
z napędem hybrydowym

Wszystkie hybrydy PHEV Volkswagena wyposażone są tylko i wyłącznie w automatyczne skrzynie biegów. Przekładnia DSG o 6 przełożeniach spotykana jest w układach hybrydowych korzystających z silnika 1,4 TSI i słynie z szybkiej zmiany biegów. Pozwala to zachować niskie obciążenie układu hybrydowego podczas spokojnej jazdy z równą prędkością oraz dynamiczną redukcję przełożeń podczas przyspieszania np. w celu wyprzedzenia innego pojazdu. Z kolei w luksusowym modelu Touareg zastosowano 8-biegową przekładnię Tiptronic, która doskonale pasuje do dynamicznego i komfortowego charakteru flagowego SUV-a i pozwala wydajnie przenosić wysoki moment obrotowy o wartości 700 nm.

Ładowanie i pojemność baterii

Hybrydy PHEV zapewniają możliwość ładowania akumulatorów trakcyjnych z sieci elektrycznej. Rozwiązanie to wpływa na znaczne zmniejszenie zużycia paliwa oraz ograniczenie emisji dwutlenku węgla. Każdy Volkswagen w wersji hybrydowej plug-in może pracować wyłącznie w trybie elektrycznym, co pozwala bezemisyjnie pokonać nawet ponad 50 km.

Według danych GUS sprzed kilku lat, średni przebieg dzienny samochodu osobowego w Polsce wynosi 37 km, a wielu kierowców pokonuje jeszcze mniejsze dystanse za kierownicą swoich pojazdów. Wynika z tego, że wielu użytkowników hybrydowych Volkswagenów może z powodzeniem korzystać jedynie z energii elektrycznej do napędzania swoich samochodów podczas codziennej eksploatacji.

Samochód hybrydowy - zasięg

Zasięg samochodów hybrydowych w trybie elektrycznym zależy m.in. od pojemności elektrycznej akumulatora trakcyjnego, która może wynosić:

-           10,9 kWh w Tiguanie,
-           10,4 kWh w Passacie i Arteonie,
-           14,3 kWh w Touaregu.

Kolejnym czynnikiem wpływającym na zasięg hybryd plug-in jest zużycie energii elektrycznej w trakcie jazdy. Tiguan zużywa od 16,6 kWh do 17,8 kWh, co w połączeniu z nieco mniejszą pojemnością akumulatora zapewnia zasięg „na prądzie” wynoszący od 50 do 56 km. Największy w gamie modelowej Touareg zużywa 23,5 kWh energii elektrycznej na przejechanie 100 km. Dzięki akumulatorom trakcyjnym o znacznej pojemności, flagowy SUV może pokonać bezemisyjnie do 53 km według normy WLTP.

Napęd hybrydowy a czas ładowania

Czas ładowania akumulatorów trakcyjnych Volkswagenów z napędem hybrydowym plug-in zależy od ich pojemności, a także mocy dostarczanego źródła energii. Wszystkie hybrydy można ładować ze zwykłego gniazdka o mocy 2,3 kW. Proces ten trwa wtedy jednak najdłużej. Akumulator trakcyjny Tiguana zostanie naładowany ze zwykłego gniazdka w ok. 5,5 godziny. Znacznie szybszym sposobem na uzupełnienie energii elektrycznej w hybrydzie plug-in jest użycie stacji szybkiego ładowania lub zamontowanie w garażu wallboxa

To ostatnie urządzenie, w przypadku zasilania prądem trójfazowym, osiąga moc ładowania nawet 11 kW, co pozwala naładować akumulatory większości hybryd Volkswagen w czasie krótszym niż 60 minut. Warto zauważyć, że samochody z technologią plug-in podobnie jak miękkie hybrydy, ładują się także podczas jazdy dzięki zaawansowanej rekuperacji.